全太陽系資源開發(fā)，需要這些新技術(shù)！

近日，我國航天專家提出了全太陽系資源開發(fā)路線圖。未來，地外天體水冰資源開發(fā)、外星球采礦、太空航班化運營等任務(wù)都呼喚更多航天新技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用，以創(chuàng)造更大價值。相比航天史上的太陽系內(nèi)探測任務(wù)，未來太陽系資源開發(fā)可能會實現(xiàn)哪些宏偉目標(biāo)？需要哪些新技術(shù)助力？科研人員又需要克服哪些挑戰(zhàn)呢？

外星球冰層下海洋探測器想象圖

“天工開物”布局大開發(fā)

不久前，中國宇航學(xué)會第一屆空間科學(xué)與試驗學(xué)術(shù)交流會在北京召開。會上，中國科學(xué)院院士王巍作《太空資源開發(fā)體系發(fā)展設(shè)想》報告，并發(fā)起“天工開物”計劃倡議。

報告提出了以戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)為目標(biāo)，以地外水冰資源利用為基礎(chǔ)，以兩大天體間拉格朗日點L1/L2為節(jié)點，由近至遠、分步建設(shè)太空資源開發(fā)體系的設(shè)想。

一方面，逐步建設(shè)月球、近地小行星、火星、主帶小行星、木衛(wèi)星等水冰資源開發(fā)設(shè)施，逐級建設(shè)涉及月球、火星、谷神星、木星等太空資源補給站體系，具備全太陽系資源的探索開發(fā)能力。

另一方面，擬建設(shè)太空資源補給站、太空資源運輸通道、地外天體采礦站、太空資源加工站、太空資源低成本返回通道等太空基礎(chǔ)設(shè)施，逐步形成涉及月球、近地小天體、主帶小行星、行星等太空資源開發(fā)體系，具備規(guī)?；?、商業(yè)化太空資源開發(fā)利用能力。

此外，重點布局空間進出、太空運輸、太空補給、太空采礦、太空資源加工技術(shù)，重點突破低成本資源返回、航班化空間資源運輸、太空資源補給站、地外天體采礦站、太空資源加工站等共性關(guān)鍵技術(shù)。

總之，報告提出了“勘、采、用”階段目標(biāo)，初步給出了2035年、2050年、2075年及2100年前全太陽系資源開發(fā)4階段發(fā)展路線圖，推動我國太空資源開發(fā)利用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。

為了達成這些宏偉目標(biāo)，航天人有必要大膽創(chuàng)新，研發(fā)、應(yīng)用一系列新技術(shù)。

勘探，深入了解太陽系

開發(fā)太陽系資源，首要任務(wù)的就是對地外天體進行足夠精確的勘測。

現(xiàn)有的航天勘測手段已實現(xiàn)了對外星球表層資源的信息收集，包括借助探測器揭示月球極地水冰資源分布狀況，對火星表面甚高分辨率成像，使用地基雷達，解析近地小行星表面主要成分等。

不過，現(xiàn)有技術(shù)難以兼顧對外星球表面的精細探測和廣域探測。比如，火星勘測軌道器的高分辨率相機在10多年內(nèi)僅掃描覆蓋了約5%的火星表面。未來，在勘探太陽系資源的征程中，更大幅寬、更高精度的成像探測系統(tǒng)必不可少。

更進一步，對地外天體深處的資源勘測也是有待開發(fā)的新領(lǐng)域。在木衛(wèi)二、土衛(wèi)二、海衛(wèi)一等巨行星的衛(wèi)星表面厚厚冰層下，得益于衛(wèi)星內(nèi)部殘存熱量和巨行星引力作用，很可能存在廣闊的海洋。未來，這些地下海洋不排除幫助補給執(zhí)行深空任務(wù)的航天器，甚至用于補充地球上的水資源。

不難想象，勘測這些冰衛(wèi)星，需要使用鉆機和潛航器，通過加熱融冰來穿透數(shù)公里厚的冰層，遨游地下海洋。這些設(shè)備有必要借助放射性同位素裝置來維持長期工作狀態(tài)，降低系統(tǒng)復(fù)雜度和綜合成本。

此外，更強大的地基和天基雷達將進一步勘測近地小行星和主帶小行星的資源成分，并判斷它們是否具備開發(fā)價值。

考慮到遙遠距離與未知的高風(fēng)險環(huán)境，基于人工智能的無人探測器將成為勘測“先鋒”，盡量以較低成本收獲更多成果，為建立有人駐留的深空前哨站打基礎(chǔ)。為了適應(yīng)惡劣的地外天體輻射環(huán)境，無人探測器的人工智能算力和通信能力必須不斷升級。

采集，大規(guī)模進入太空

如今，探測器已實現(xiàn)了月球采樣返回，火星采樣返回任務(wù)正在加緊推進。不過，相比科研性質(zhì)的少量采樣，未來地外天體資源持續(xù)開采總量必然顯著增加。為此，航天人有必要掌握大規(guī)模進入太空的能力，擁有足夠強大的太空運力。

綜合效益較高、可重復(fù)使用的重型火箭和航班化空天運輸工具應(yīng)該能“拔得頭籌”。它們將使用化學(xué)能，分批次執(zhí)行近地軌道發(fā)射任務(wù)，實施集成組裝，建成比國際空間站更龐大宏偉的太空設(shè)施。不過，在頻繁的深空飛行中，化學(xué)能發(fā)動機比沖有限，推進效率不高，有必要應(yīng)用更高效的基于太陽能和核能的推進技術(shù)。

眾所周知，太陽輻射強度隨著航天器遠離而急劇減弱，超出木星軌道后，太陽翼發(fā)電效率難以滿足任務(wù)需求。未來，應(yīng)用新技術(shù)，借助反射器，強化匯聚至太陽翼上的陽光，理論上可以將太陽翼應(yīng)用擴展至土星軌道。

核動力航天器很可能是常態(tài)化太陽系內(nèi)航行的必備選擇。由于核裂變碎片火箭發(fā)動機、核聚變推進等方案的技術(shù)成熟度低，核熱推進、核電推進似乎更加現(xiàn)實。

核電推進火箭執(zhí)行深空任務(wù)想象圖

核熱推進的原理是使氫等工質(zhì)直接流過反應(yīng)堆堆芯加熱，形成推力，早在20世紀(jì)60年代就進行了初步試驗。國外核燃料濃度較低的核熱火箭有望在5年內(nèi)首飛，目標(biāo)包括驅(qū)動航天器2年內(nèi)抵達木星，3年內(nèi)到達土星。

但核熱推進目前存在一些難題，比如啟/停耗時過長。此外，反應(yīng)堆堆芯燃料棒在連續(xù)運行下可能產(chǎn)生異常蠕變、包層碎裂、強度下降等問題，多次啟動和連續(xù)工作時間受限。

核電推進需要使用復(fù)雜精密的機械結(jié)構(gòu)，主動循環(huán)制冷工質(zhì)，又缺乏冗余備份，導(dǎo)致在深空環(huán)境下可靠性差，工作壽命往往只有數(shù)十天，巨大的散熱裝置也會造成航天器“超重”。

實際上，航天器在外星球表面大規(guī)模開采資源，必須克服巨大挑戰(zhàn)，比如發(fā)展更出色的柔性機械臂等，更需要在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計等基礎(chǔ)領(lǐng)域取得進步。

除了推進技術(shù)創(chuàng)新外，新穎的航天器設(shè)計思路有望投入實踐。比如，航天人可以考慮借助推力器等，“搬運”蘊藏有足夠資源的小天體靠近地球，簡化航天器著陸或采樣設(shè)計方案，轉(zhuǎn)而攻關(guān)航天器和小天體的組合體控制技術(shù)。

利用，整體邁上新臺階

太陽系資源深入開發(fā)階段，采集獲取的空間原料將不再被完全運回地球，而是盡量在軌轉(zhuǎn)化為可利用的資源。

比如，科研人員正論證將外星球的水冰資源電解生成氫、氧等，供給航天器或者太空工作者；將采集的原礦提煉為可以直接使用的金屬資源，甚至加工成配件，在軌組裝航天器；使用火星表面的二氧化碳、氫氣等，通過薩巴蒂爾反應(yīng)，生成甲烷，進一步合成有機物甚至食物；航天器材料和智能化進步后，可以考慮從富集放射性原料的外星球上采集核原料，生產(chǎn)反應(yīng)堆燃料棒，或者從巨行星的大氣中提取稀有氣體和電推進工質(zhì)。

總之，隨著深空任務(wù)航天器廣泛部署和太空基建逐漸完善，地外天體資源更多將被用于支持前哨站運作，有時候運回地球反而得不償失。當(dāng)前，多國航天已經(jīng)或即將實施月球、火星等外星球原位資源利用試驗，有助于探索地外天體資源開發(fā)的新模式。

外星球采礦場景想象圖

發(fā)展外星球原位資源利用，開展太空生產(chǎn)活動，將是未來太陽系資源開發(fā)的趨勢，能源供給難題不容忽視。為此，有必要建設(shè)空間太陽能發(fā)電站等太空基礎(chǔ)設(shè)施，幫助航天器和太空工廠簡化設(shè)計。

散熱將是太空工廠面臨的又一個問題：輻射散熱效率較低，在缺乏液體和大氣的外星球上高溫冶煉金屬，風(fēng)險較大。這樣看來，太空工廠適合建在擁有大氣的火星、土衛(wèi)六等天體上。

暢想未來，如果生產(chǎn)精密器件的太空工廠成真，或許航天人可以利用無重力環(huán)境，打造“太空船塢”，組裝一些在地球環(huán)境中難以實現(xiàn)的巨大航天器，支持更遠的航行或者運輸更多貨物。

航天事業(yè)已成為各國爭相投入的“希望領(lǐng)域”，因為近乎無限的空間資源以及探索、開發(fā)過程中取得的技術(shù)成果，都代表著國家發(fā)展和戰(zhàn)略競爭中的光明未來。隨著技術(shù)進步，太空資源開發(fā)的構(gòu)想正在逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，航天人仍需在持續(xù)投入下繼續(xù)努力。（作者：張晨）